Fullerene의 발견과 장래 전망 - CHERIC · 2015-11-30 · NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 6, 2015 … 719 Fullerene의 발견과 장래 전망 서 플러렌을

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 6, 2015 … 717

특 별 기 고

1. 서론 : Fullerene의 발견

전파 천문학자들은 우주 별 공간을 관측하면서

어떤 특정 별, 특히 거대한 붉은 별(red star)에서 탄

소 원자의 체인 (chain)이 존재한다는 사실을 발견하

였다. 붉은 별로부터 떨어진 적은 파편에 관심을 갖

게 된 과학자들은 면밀한 연구 끝에 지구상에서도

우주와 같은 조건을 만들어주면 우주에서와 같은 물

질을 만들 수 있을 것이라는 생각을 하게 되었다.

영국 서섹스 대학의 크로토(Harold W. Kroto) 교

수는 우주에서 오는 짧은 파장의 빛의 원천을 연구

하고 있었다. 크로토 교수는 자신의 연구하는 탄

소 화합물을 실험실에서도 만들 수 있다는 확신을

갖게 되었다. 크로토 경은 미국 라이스대학 로버

트 컬(Robert F. Curl) 교수와 리처드 스몰리(Richard

E. Smalley)교수 3인의 공동 연구로 1985년 플러렌

(Fullerene)을 발견하였다. 이들은 우주와 비슷한 환

경을 만들기 위해 진공장치 속에서 강력한 레이저를

흑연에 쏘아 증발 시킨 후 혼합 가스를 팽창시켜 급

격하게 냉각시켰다. 이때 레이저의 높은 에너지로

인해 탄소가 흑연 표면에서 떨어져 새로운 결합을

이루며 흑연과는 다른 분자 구조의 화합물을 생성하

였다.

이것이 우주에 존재하던 새로운 탄소 동소체인

플러렌을 실험실에서 생산한 첫 발견이다. 이때까지

과학자들은 순수한 탄소 형태는 흑연과 다이아몬드

두 가지로 믿고 있었다. 플러렌 개발자들은 탄소의

새로운 분자 구조가 축구공과 비슷하며 12개의 오각

형과 20개의 육각형으로 형성되었으며 각각의 오각

형은 완벽하게 육각형들에 둘러 싸였다는 가설을 제

안하였다. 이 구조는 건축가 버크민스터 풀러가 발

Fullerene의 발견과 장래 전망

박 태 준

한국과학기술정보연구원 전문연구위원

[email protected]

<그림 1> NASA의 Spitzer 적외선망원경으로 6,500광년 떨어진 우주 먼지 속에서 Fullerene을 관측 확인.(1)

<그림 2>Fullerene C60의 구조(2)

718 … NICE, 제33권 제6호, 2015

특 별 기 고

명한 돔형 경기장과 흡사하였다.

2. Fullerene의 기술 개요

과학자들은 이 탄소 동소체 C60 이름을 버크민스

터 플러렌(Buckminster Fullerene)이라 불렀다. 초단

파 및 자외선 분광학을 전공한 로버트 컬(Robert F.

Curl) 교수는 플러렌의 구조를 확인하였다. 1985년

이들 3인의 과학자들이 발견한 플러렌은 전 세계 수

많은 과학자들의 관심과 연구 대상이 되었다. 플러

렌 C60의 발견은 50억분의 1초 안에 탄소의 아주 작

은 양을 기화시키는 첨단장비의 사용으로 이뤄졌다.

그러나 이 실험에서의 문제점은 제안된 구조를 정확

하게 증명할 수 있을 만큼 충분한 양의 플러렌을 얻

을 수 없었다. 따라서 1985년부터 1990년 까지 수많

은 과학적인 논쟁이 끊이지 않았다.

플러렌 발명자들에 대한 비판에도 불구하고 신물

질 발명자들은 인내심으로 그들의 가설을 잘 지켜

나갔다. 1990년에야 도널드 허프만과 볼프강 크라처

머가 플러렌을 신속하고 값 싸게 생산할 수 있는 방

법을 개발하여 1g 정도의 C60을 만들 수 있었다. 이 허

프만과 크라처머의 플러렌 생산 방법은 소량이기는

하나 플러렌 연구 개발에 중요한 역할을 하였다. 오

늘날 벤젠 연소방법(Combustion process)등을 사용하

면 연간 플러렌을 5,000톤/연까지 생산이 가능하다.

1996년 플러렌의 연구 공로로 크로토, 컬, 스

몰리 이들 3인은 노벨 화학상을 공동 수상하였다.

2010년 NASA에서 Spitzer 적외선 망원경으로 6,500

광년 떨어진 우주 먼지 속에서 플러렌의 존재를 확

인하였다.(1)

2.1. 탄소 동소체의 구조

1980년 중반 플러렌이 발견될 때까지 탄소 동소체

는 흑연과 다이아몬드 두 종류가 있는 것으로 믿었

다. 그러나 플러렌이 발견된 이후 탄소의 결합 구조

가 다른 많은 탄소 동소체가 발견되었다. <그림 3>은

흑연, 다이아몬도 및 플러렌의 분자 구조가 다른 탄

소의 동소체를 보여주고 있다. 플러렌은 흑연이 레

이저 빔의 고온에서 증발한 그을음에서 발견한 완전

히 새로운 물질이다.

이는 우주 공간에 존재하는 붉은 별 항성의 고온

의 탄소로 된 물질을 지구상에서 재현한 것이라 하

겠다. 주로 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 결합

하여 생긴 버크민스터 플러렌 C60을 말한다. 12개의

5원환과 20개의 6원환으로 이뤄졌으며 각각의 5개의

6원환이 인접해있다.

지름이 약 1nm인 축구공을 형성하는데 플러렌이

라는 명칭은 이 구조와 같은 모양의 돔을 설계한 미

국 건축가 풀러(B. Fuller)의 이름에서 유래한 것이

다. Bucky ball이라는 별칭으로도 불리는데 이것 역

시 그의 이름에서 따온 것이다.

2.2. Fullerene의 합성

컬, 크로토, 스몰리 등이 흑연을 헬륨 분위기 속

에서 레이저로 고온으로 가열하여 미량의 플러렌을

합성한 이후 많은 과학자들이 플러렌에 대한 관심이

집중됨으로서 플러렌 대량 생산을 위한 공정이 개발

되었다.

가. Hufmann-Kratschmer 방법(4)

지금까지 이들 3개 플러렌 생산 공정은 플러렌 연

구를 열어가는 중요한 역할을 하여왔다. 원료와 부

산물이 흑연이므로 필요에 따라 연료봉 재순환이 가

능하다. Hufmann-Kratschmer 플러렌 합성법은 고순

도 지름 6mm 흑연 전극의 아크 방전에 의한 2,000℃

고온 상태에서 압력 100-200 torr 헬륨 가스 분위기에

<그림 3> 탄소동소체 구조(3)



서 플러렌을 합성하였다. 불활성 가스로 아르곤 가

스를 사용 할 수도 있으나 효율이 낮아진다. 전극 사

이에서 온도 차가 없어야한다. <그림 4>는 플러렌 생

산을 위한 아크방전 장치이다.

나. Benzene의 연소 공정

Howard와 그의 공동 연구자들은 산소가 부족한

상태에서 Benzene을 연소하여 플러렌 C60과 C70을 발

견하였다. 한때 일본에서 일정한 목적을 위해 연간

플러렌을 5,000톤을 생산한 적이 있으나, 현재 설계

용량의 1/10 약 500톤을 생산하고 있다. 이처럼 시설

용량의 과다한 투자는 플러렌의 장기적인 수요를 정

확히 예측하지 못한데 원인이 있다. 따라서 플러렌

의 설비투자는 플러렌에 대한 충분한 지식을 활용함

으로서 정확한 수요량을 예측할 수 있을 것이다.

다. PAH의 탈수소 열분해 응축 공정

이 방법은 플러렌 합성에 대한 방법을 추론한

다. 예를 들면 C60은 6개의 dehydronaphthalene의

일부분으로서 6면체의 일부로서 위치하고 있다.

Naphthalene의 열분해는 C60을 생산한다. 탈수소화

반응(dehydrogenation)은 고에너지 공정으로서 전구

체(precursor)의 할로겐 수소 이탈 반응은 보다 성공

적이고. Chloroaromatic 전구체로 부터 생성되는 C60

의 생성에 이용되는 특성을 가지고 있다. 그러나 이

공정은 플러렌의 합성은 가능하나 생산량이 너무 작

어서 이 공정을 사용해 본 경험이 전혀 없다.

플러렌에 함유된 soot는 속스레(Soxhlet) 추출기를

사용하여 제거하거나 또는 크로로포름(chloroform),

톨루엔(toluene) 또는 1.2-dichloroBenzene (가장 빠른

반응, 그러나 용매 중에 미량 성분이 존재 할 경우 고

진공이 필요하다.) 만일 탄소 이황화물 (disulfide)이

미량성분 추출과정이나 농축 과정에서 사용되었을

경우엔 진공 상태에서 철저하게 제거해야 한다. 그

렇게 하지 않으면 플러렌은 오염되고 만다.

2.3. 플러렌의 물리 화학적 특성

크라츠머와 허프만이 1990년 초에 C60 플러렌의

대량 생산 방법을 발명한 아래 과학자들은 플러렌

의 물리 화학적인 특성에 관해 깊이 연구해왔다. 그

러나 이 새로운 물질은 대부분의 용매에 불용이거나

또는 전혀 용해하지 않아 C60 플러렌은 취급하기가

어려웠다. 그러나 C60 플러렌의 다양한 유도체를 만

들 경우 플러렌은 다른 물질과 쉽게 반응하였다. 고

리화 첨가 반응(Cycloaddition)이 플러렌 유도체를 만

<그림 4> 플러렌 생산을 위한 아크 방전 장치(4)

<그림 5> Bingel reaction of fullerene with a malonate ester and sodium hydride or DBU(17)

<그림 6> Bingel fullerene(18)

<그림 7> Bingel reaction with N-(Diphenylmethylene)glycinate Ester

720 … NICE, 제33권 제6호, 2015

특 별 기 고

드는데 가장 적합한 방법임이 밝혀지고 시크로 프로

판화된 C60 플러렌은 다음 3가지 방법에 의하여 생산

된다.

1) 열분해 또는 광분해에 의한 디아조 화합물의 열공급

2) free carbene 추가

3) Bingel reaction

Bingel 반응은 시클로푸로판화된 C60 플러렌의 합

성이 Bingel 반응에서 가장 높은 수율을 얻을 수 있다.

3. Fullerene의 연구 개발 동향

크로토와 그의 공동 연구자들은 1985년 플러렌을

발견하였다. 합성된 플러렌은 극소량으로서 신물질

의 분자 구조를 실험적으로 입증할 수 없었다. 그들

은 우주와 비슷한 환경을 만들기 위해 우주와 유사

한 진공장치 속에서 강력한 레이저를 흑연에 조사하

고 혼합가스를 팽창시키도록 하였다. 이때 레이저의

높은 에너지로 인해 탄소들이 흑연 표면에서 떨어져

나와 새로운 결합을 이루며 흑연과는 전혀 다른 화

합물을 형성하였으며 이것이 바로 플러렌이다.

초단파 및 자외선 분광기 전문가인 미국 아리조

나 대학의 도날드 허프만 교수는 헬륨을 1/5 기압 정

도로 채운 용기 속에 탄소 막대를 접촉시키고 여기

에 전류를 흘러가게 하고 이때 탄소봉의 접속 부분

에서 발생하는 엄청난 열이 탄소를 탄소 증기로 만

들고 이 증기를 헬륨 가스로 냉각시켜 플러렌을 합

성하였다.

이 실험에서 얻어진 플러렌 생산량은 극미량으로

서 실험에 활용할 수 없어 오늘과 같은 플러렌의 특

성을 가설로밖에 설명할 수 없었다. 1990년 미국 아

리조나 대학 도널드허프만교수가C60 대량 생산방법

(Hufmann-Kratschmer)을 개발함으로서 플러렌에 관

심을 가진 세계 수많은 과학자들에게 신 물질 플러렌

에 대한 연구를 적극적으로 추진할 기회를 열어 놓았

다. 플러렌은 C60으로 대표되는 탄소 동소체이다.

3.1. Fullerene의 특성

플러렌은 축구공을 1억분의 1 정도로 축소시킨

모양을 하고 있다. 축구공은 20개의 정육각형과 12

개의 정오각형이 연결되어 있으며 정오각형은 서로

마주 닿지 않는다. 이 탄소 축구공은 지름이 약 7Å이

다. C60 이외도 정오각형은 12개이지만 정육각형은

개수가 많아 탄소의 개수가 늘어난 C70, C76, C78, C84

도 우연한 계기에 발견되었다.

플러렌은 다이아몬드만큼 강하면서도 아주 작은

물질을 새장처럼 가둘 수 있다. 또한 다른 물질을 삽

입할 수 있도록 열리게도 하고 튜브처럼 이어질 수

도 있다. 플러렌은 탄소원자 끼리 강하게 결합해 다

른 물질과의 반응성이 적다. 과학자들은 이 같은 플

러렌의 특성을 활용하여 의약 성분을 저장하거나 체

내 운반체 등으로 이용하기 위한 약물 전달 시스템

으로 활용 할 방안을 연구하고 있다.

플러렌은 아주 미세한 구조를 가지고 있어 적은

양으로도 매우 예민한 반응을 하는 플러렌의 특성을

이용하려는 연구가 추진되고 있다. 여러 가지 금속

원자를 석어 도체 혹은 초전도체로 이용하거나 수많

은 플러렌을 서로 연결해 새로운 섬유 또는 각종 센

서로 응용할 수 있고 이 분야의 활용도가 점차 증가

하고 있다. 고분자 촉매, 컴퓨터 기억 소자, 우주 항

공, 환경 분야에서 혁신을 가져올 차세대 나노 소재

로 기대되고 있다.

<그림 8> Bingel reaction mechanism(17)

<그림 9> Formation of Fullerene through(5)

dehydrogenation/ dehydrochlorination



3.2. Fullerene의 기술 동향

가. Fullerene의 국외 연구 개발 동향

1985년 컬, 크로토, 스몰리 등이 인공적으로 합성

한 플러렌이 탄소 동소체임을 밝혔다. 1991년 자외선

분광기를 이용하여 플러렌의 구조가 규명되고, 1996

년 플러렌 개발자들에게 노벨 화학상이 수여됨으로

서 플러렌 연구는 전세계 과학자들의 관심의 대상이

되었다. 특히 Hufmann과 Kratschmer에 의해 플러렌

의 대량 생산을 위한 획기적인 기술이 발표되고 난

이후 플러렌에 관한 많은 논문과 출판물이 극적으로

증가하였다. 그 이외에도 탄소의 새로운 형태에 관

하여 많은 연구자들이 새로운 기술에 대한 깊은 관

심을 갖는 계기를 마련하였다.

그러나 오늘날 까지도 플러렌에 관한 의문점이

줄어들지 않고 있다. 이 같은 의문점은 산업 현장에

서만이 요구하는 것이 아니라 대학의 학술적인 연구

에서도 요구하고 있다. 따라서 기초적인 연구 측면

에서 새로운 플러렌의 응용 기술은 매우 중요하다.

나. Fullerene의 상업적 이용 기술

새로운 제품으로 출현한 플러렌 제품에 대하여

사람들은 기존 제품을 혁신적으로 교체 할 것을 제

안하고 있다.

플러렌은 안정적인 물질로서 다른 물질과 쉽게

반응하지 않는다. 그러나 플러렌의 유도체들은 다른

물질과 쉽게 반응한다. 따라서 플러렌의 유도체를

개발함으로서 기존 제품, 제조공정, 생산 방법보다

더 많은 이점이 있어야한다. 플러렌은 물리, 화학, 재

료, 에너지 등 다양하고도 광범위한 분야에서 활용

될 수 있도록 세계 각국의 수많은 과학자들이 아래

와 같은 분야에서 연구 개발을 추진하고 있다. 1990

넌 플러렌이 인공적으로 합성되고 15년의 시간이 흘

렀지만 아직도 플러렌을 실제 생활에 적용하기 위해

서는 많은 장애요인이 있다.

그러나 플러렌이 앞으로 우리 생활에 획기적인

변화를 가져 올 것은 분명하다. 현재 국외에서 추진

중인 주요 연구 개발 현황을 살펴보면 화합물에서부

터 트랜지스터, 광전소자, 기체 저장, 고분자 재료,

촉매, 의약품, 전기화학 탐지소자, 다이아몬드, 태양

박막전지, 초고속 성능윤활유, 고강도 신소재, 고성

능 배터리, 상온 초전도체 개발 등 다양한 연구가 이

뤄지고 있다. 화학 반응을 이용하여 많은 플러렌 유

도체를 만들고 있다. 이들 중의 일부는 개발이 완료

된 것도 있으나 대부분이 연구 개발이 진행 중인 미

래 기술들이다.

촉매 개발을 위해서는 아직도 많은 시간이 필요

하다. 산업 분야의 깊은 관심은 플러렌 폴리머로서

고분자 물질은 순도가 높은 물질을 요구하지 않으며

저렴하고 많은 생산량을 필요로 한다. 바이오 및 의

학의 활성화 시스템은 잠재적인 플러렌의 응용분야

이다. 의약과 관련된 물질의 개발은 장시간이 소요

된다. 신약 개발은 많은 시험이 뒤따른다. 플러렌의

잠재적인 응용은 SiC 생산으로서 이는 Si 보다 우수

한 재질이다.

다. Fullerene의 국내 연구개발 동향

국내 플러렌 연구는 1990년 전북대학교 화학과에

서 Huffman식 으로 C60 플러렌을 최초로 합성하는데

성공하였다. 그 이후 서울대학교, 한국표준과학연구

원, 이화여대, 고려대, 세종대 등에서 연구를 했거나

현재 진행 중이다. 특히 표준과학연구원에서는 고주

파 플라즈마 유도장치에 흑연 봉이 아닌 흑연 가루

를 아르곤 기체와 함께 섭씨 10,000℃의 고온 플라즈

마를 만든 다음 생성된 그을음을 회수하고 용매 추

출로 플러렌을 분리하는 대량 합성법을 개발하였다.

전기를 통하는 플라스틱(유기 태양전지:organic

solar cell) 연구는 국내에서 부산대학 연구팀이 2000

년도 초에 처음 시작하였다. 이들 연구팀은 반도

체 고분자인 MEH-ppv와 Fullerene (C60) 유도체인

PCBM 비율이 1:1 배율로 섞인 복합재료를 사용하여

1.2%의 효율을 얻었다. 이들은 MEH-ppv와 PCBM

비율을 1:3으로 바꿈으로서 같은 조건하에서 에너지

전환 효율을 2.3%로 올렸다. 최근 부산대와 UCSB팀

722 … NICE, 제33권 제6호, 2015

특 별 기 고

공동연구를 통해 5%의 에너지 전환 효율을 달성했

다고 보고한 바 있다.(6)

인하대 팀도 유기태양전지 연구를 수행하였으며

1.74%의 에너지 전환효율을 달성한 것으로 발표하

였다. 광주과기원, 서울대, 서강대 등 여러 대학들

이 참여하여 유기 태양전지 연구가 활성화되고 있

다. 특히 광주 과기원은 전도성 고분자개발로 노벨

상을 수상한 미국 싼타바바라 대학의 앨런 히거(Alan

Heeger)교수의 지원으로 유기태양전지를 개발하고

있다. 한편 한국화학연구원 등의 출연(연)과 삼성SDI

등의 기업 연구소에서도 2000년대 초부터 나노 박막

형 유기전지에 대해 꾸준히 연구를 수행하고 있으며

에너지 전환효율 4.5% 이상을 실현하고 있다.

유기태양전지가 실용화 되면 기존의 실리콘 태양

전지에 비해 가격이 약 10분의 1로 줄어들 것으로 예

상된다. 가벼워서 수송이 용이하고 재료의 유연성

때문에 다양한 모양으로 가공 할 수 있을 것으로 기

대된다. 유기 태양전지는 기존 실리콘 태양전지의

에너지 전환효율 20%에 비해 5-10%로서 낮으나 전

도성고분자(P3HT)와 Fullerene 유도체(PCBM)의 결

합체인 P3HT의 최적 결합을 통해서 유기태양전지의

성능이 향상되고 안전성이 있는 실용화 제품이 가까

운 장래에 출현할 것으로 기대한다.

일진나노텍(우하영)은 탄소 나노튜브를 생산하는

기업으로서 전기 방전법을 이용하여 단중벽 탄소 나

노튜브를 합성할 때 다량의 플러렌C60)을 탄소 나노

튜브 내부에 주입할 수 있는 신기술을 최초로 개발

하였다고 발표한 바 있다. 플러렌을 탄소나노튜브에

주입할 경우에 탄소 나노튜브의 강도가 현저하게 증

가된다고 한다. 일진나노텍은 시장이 확장됨에 따라

시설을 크게 확장할 계획이다.

4. 학술정보 분석

영국 서섹스 대학의 해롤드 크로토(Harold

Krooto)교수, 미국 라이스 대학 로버트 컬(Robort

Curl) 교수와 리차드 스몰리Richard E. Smally) 교수

3인이 공동 연구를 수행하면서 1985년 플러렌을 발

견하였다. 1985년 9월 항성 사이의 공간에 있는 거대

한 붉은 별(red star)로부터 떨어져 나온 작은 파편에

서 탄소 체인 플러렌이 존재한다는 사실을 알게 되

었다. 우주에서 오는 짧은 파장의 빛의 원천을 연구

하던 크로토 교수는 자신이 예상하는 탄소 화합물을

스몰리 교수 연구실에서 우주와 유사한 조건을 만들

었다.

진공 장치 속에서 강력한 레이저를 흑연에 쏘아

증발 시킨 후 혼합가스를 팽창 시키고 급격히 냉각

<그림 10> 유기태양전지의 구조단면 (전도성 고분자와 Fullerene 유도체가 짝을 이뤄 광활성 성능 향상)

<그림 11> 전자 주게 특성의 P3HT (전도성 고분자)(8)

<그림 12>전자 받게 특성의 (PCBM)플러렌의 유도체(8)



시켰다. 이때 레이저의 높은 에너지로 인해 탄소 입

자들이 흑연 표면에서 떨어져 나와 새로운 결합을

이루며 흑연과 다른 화합물을 형성하였다. 이때 생

성된 물질이 플러렌이다. 플러렌 C60의 발견은 50억

분의 1초 안에 탄소의 아주 작은 양을 기화시키는 첨

단 장비의 뒷받침에 의해 이뤄졌다 .

이 실험에서 문제점은 발명자들이 제안한 플러

렌의 구조를 정확하게 증명할 만큼 충분한 양의 플

러렌 시료를 얻을 수 없다는 사실이다. 1985년부터

1990년까지 과학자들은 플러렌에 대한 관심과 과학

적인 논쟁이 들끓었다. 세계 많은 과학자들이 이 신

물질에 대한 호기심과 관심을 가지고 특히 플러렌의

구조, 반응속도 등 물리 화학 분야에 많은 연구를 수

행하였다.

1990년 미국 아리조나 대학 도널드 허프만

(Donald Huffman)교수가 플러렌 C60을 저항 가열법

에 의해 대량 생산할 수 있는 합성법을 개발함으로

서 플러렌 연구를 위한 돌파구를 마련하였다. 플러

렌 대량 생산이 가능해진 1990년부터 크로토, 컬, 스

몰리 3인 플러렌 발명자들에게 노벨 화학상을 수여

한 1996년까지 전 세계 수많은 과학자들이 플러렌에

관한 연구 논문을 발표하였다. 이들은 플러렌을 20

세기 과학 기술 최고의 신소재 중의 하나라고 평가

하고 있다.

Institute of in Organic and Analytical Chemistry of

Eoivos University, Tibor Braun 교수팀은 플러렌이 발

명된 1985년부터 플러렌 발명자들이 노벨상을 받은

1990년 전후 기간 중에 플러렌과 연관된 논문 발표

현황, 최대 논문 발표 국가와 논문 최대 발표자에 관

한 동향을 Chem. Reviews, 2000, vol. 100 , No.1에 발

표하였다. <표 1>은 50위까지 플러렌 관련 연구 논문

을 발표한 실적으로서 미국이 2,887편, 일본1,908, 독

일 743, 영국451, 프랑스 451, 러시아406, 중국398, 스

위스 246, 이탈리아 246, 한국이 78편으로 19위를 차

<표 1> 국가별 Fullerene 관련 연구논문 발행부수((9)

rank country# of

papersgrowth ratio

rank country# of

papersgrowth ratio

1 United States 2687 0.65 26 Czech Republic 36

2 Japan 1206 1.25 27 Denmark 35

3 Germany 743 1.26 28 Scotland 34

4 England 451 0.83 29 Brazil 31

5 France 409 1.48 30 Mexico 30

6 Russia 406 2.73 31 Croatia 29

7 P.R.China 398 3.28 32 Slovenia 27

8 Switzerland 246 1.76 33 Romania 17

9 Italy 241 1.93 34 Argentina 16

10 India 211 0.89 35 Finland 13

11 Canada 167 0.65 36 Greece 13

12 Belgium 148 1.20 37 Bulgaria 12

13 Australia 112 1.28 38 Ireland 12

14 Austria 102 1.98 39 Slovakia 12

15 Sweden 95 40 Norway 11

16 Hungary 92 41 Portugal 11

17 Taiwan 91 42 Armenia 7

18 Israel 76 43 Newzealand 6

19 South Korea 74 44 South Africa 6

20 Spain 72 45 Lithuania 5

21 Netherlands 71 46 Latvia 3

22 Poland 71 47 Yugoslavia 3

23 Ukraina 44 48 Turkey 3

24 Hong-Kong 41 49 Wales 3

25 Uzbekistan 40 50 Estonia 3

724 … NICE, 제33권 제6호, 2015

특 별 기 고

<표 2> Fullerene 연구 발행 논문집 (9) 1985-1966

rank journal title # of papers growth ratio papers/year

1 Chemical Physics Letters 716 0.68 59.7

2 Physical Review B 703 0.99 58.6

3 Journal of Physical Chemistry 418 0.78 31.8

4 Journal of the American Chemical Society 275 0.52 22.9

5 Synthetic Metals 249 1.62 20.2

6 Fullerene Science & Technology 234 2.76 58.2

7 Solid State Communications 231 0.88 19.2

8 Physical Review Letters 226 0.55 18.8

9 Nature 158 0.24 13.1

10 Journal of Chemical Physics 151 0.65 12.6

11 Journal of the Chemical Society, Chemical Communications 145 1.04 12.1

12 Science 144 0.31 12.0

13 Applied Physics Letters 124 1.02 10.3

14 Carbon 113 1.59 9.4

15 Molecular Crystals and Liquid Crystals Science and Technology, Section A 87

16 Physica C 87

17 Tetrahydron Letters 77

18 Journal of Physics and Chemistry of Solids 77

19 Angewandte Chemie, International Edition in English 74

20 Japanese Journal of Applied Physics, Part2 70

21 Zeitschrift fur physik D 65

22 Europhysics Letters 65

23 Chemical & Engineering News 64

24 Journal of Organic Chemistry 62

25 International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 59

26 Physics Letters A 54

27 Journal of Physics, Condense Matter 54

28 Russian Chemical Bulletin 52

29 Surface Science 51

30 THEOCHEM, Journal of Molecular Structure 50

31 Journal of Applied Physics 49

32 Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 47

33 Applied Physics A 47

34 Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 2 44

35 Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section B 43

36 Journal of the Physical Society of Japan 43

37 Journal of Physics B 43

38 Tetrahedron 41

39 Chemistry Letters 41

40 Thin Solid Filma 41

41 Physica B 38

42 Chemical Communications 37

43 New Scientists 34

44 JETP Letters 33

45 Chinese Physics Letters 33

46 Journal of Materials Research 31

47 Chemical Physics 29

48 Chemistry of Materials 28

49 Zeitschrift fur Physik B 27

50 Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 27



지하고 있다.(9)

플러렌 연구는 미국이 주도적으로 연구를 추진하

고 있으며 일본이 그 뒤를 따르고 있다. 새로운 기술

이 출현하면 일본은 연구 개발에 막대한 투자를 하

고 있음을 보여주고 있다. 플러렌 연구의 상위 14위

국가 저자들은 모두 서방 선진 국가들로서 전체 연

구 논문의 86%를 차지하고 있다. 또한 플러렌 연구

를 적극적으로 추진한 미국, 일본, 영국, 독일, 스위

스, 프랑스 및 이탈리아 등 선진국을 중심으로 강력

한 국제 협력이 이루어지고 있다. 특히 플러렌 관련

연구 논문을 발표한 연구자들 중에 일본 과학자들

의 연구 실적이 돋보였다.

5. Fullerene의 연구 개발 전망

플러렌은 C60으로 대표되는 탄소만의 화합물이다.

C60은 축구공을 1억분의 1정도로 축소한 모양을 하고

있다. 축구공은 20개의 정 육각형과 12개의 정 오각

형의 조각이 연결되어 있다.

정오각형들은 서로 마주 닿지 않는다. 정육각형

과 정오각형의 꼭지 점에 탄소 원자를 놓아 작은 축

구공을 만들면 C60 플러렌이 된다. 이 탄소 축구공은

지름이 약 7Å이다. 이 같은 플러렌은 AIDS 치료제로

서의 가능성을 인정받는 화합물에서 부터 트랜지스

터, 광전소자, 기체 저장, 고분자, 전기 화학탐지 소

자, 다이아몬드, 박막 제조, 초고성능 윤활유, 고강

도 신소재 고성능 배터리, 상온 초전도체, 의료, 미용

등 매우 다양한 분야의 연구가 수행되고 있다. 또한

화학 반응을 이용해 새로운 유도체룰 만들고 있다.(10)

플러렌과 연료전지를 활용한 마이크로 연료전지는

향후 Li 2차 전지를 점차 대체할 것으로 전망 된다

특히 플러렌 C60에 알칼리금속을 혼입 시키면 초

전도체가 된다. 현재 32K(-241)에서 초전도 현상을

<표 3> Fullerene 관련연구 논문발표저자(9)

rank name # of papers rank name # of papers

1 Achiba, Y. 129 26 Kuzmany, H. 46

2 Kikuchi, K. 110 27 Kratschmer, W. 44

3 Kroto, H. W. 106 28 Rao, C. N. R. 44

4 Saito, Y. 102 29 Eklund, P. C. 43

5 Shinohara, H. 85 30 Yoshino, K. 43

6 Wudl, F. 84 31 Ruoff, R. S. 41

7 Talylor, R. 83 32 Fabre, C. 40

8 Fischer, J. E. 82 33 Hebard, A. F. 40

9 Haddon, R. C. 80 34 Kobayashi, K. 40

10 Suzuki, S. 79 35 Maruyama, Y. 40

11 Flowler, P. W. 71 36 Tanaka, K. 39

12 Smalley, R. E. 69 37 Slanina, Z. 38

13 Walton, D. R. M. 67 38 Chibante, L. P. F. 37

14 Diederich, F. 64 39 Smith, A. B., III 37

15 Zakhidov, A. A. 60 40 Meijer, G. 36

16 Tanigaki, K. 59 41 Schlogl, R 36

17 Dresselhaus, M. S. 58 42 Werner, H. 36

18 Ebbesen, T. W. 55 43 Bethune, D. S. 35

19 Bernier, P. 54 44 Hirsch, A. 35

20 Ikemoto, I. 54 45 Kappers, M. M. 35

21 Whetten, R. L. 50 46 Rosseinsky, M. J. 35

22 Rassat, A. 49 47 Zerbetto, F. 35

23 Weaver, J. H. 49 48 Takahashi, T. 34

24 Prassides, K. 47 49 Wang, Y. 34

25 Dresselhaus, G. 46 50 Yamabe, T. 34

726 … NICE, 제33권 제6호, 2015

특 별 기 고

보이는 초전도체 까지 연구하고 있다. 그러나 과학

자들의 예상과는 달리 플러렌의 실용화에는 많은 장

애가 있다. 예를 들면 플러렌의 구조가 너무 안정적

이여서 다른 물질과 반응하는데 어렵고 연구 추진에

한계가 있고 쉽지 않다는 문제점이 노출되고 있다.(10)

붕소(B), 탄소(C), 질소(N)로 구성된 새로운 플러

렌이 합성, 불소로 코팅된 버키볼 C60F2의 합성이 성

공적으로 이루어져 초 윤활제로서의 사용 가능성이

보이고 있다. 1985년 플러렌이 발견된 당시 실험실에

서 극소량이 합성됨으로서 시료 부족으로 신물질의

구조, 특성 등을 규명 할 수 없었다. 플러렌 발명자들

은 1990년 Hufmann에 의해 플러렌 대량(1gr) 생산 기

술이 개발될 때까지 끊이지 않는 논쟁과 비난의 대

상이 되었다.(11) 그러나 오늘날 플러렌 신물질에 대한

기대와 가능성은 아무도 부인하지 못할 것이다. 플

러렌의 연구는 이제 시작에 불과하다.

6. 결론

1985년 9월 항성 사이 공간에 있는 거대한 적성

(red stars)들로부터 떨어져 나온 적은 조각 탄소 체인

(chain)을 찾았고 연구하던 과학자들에 의해 이것이

신물질 플러렌이라는 사실이 밝혀졌다. 이들 과학자

들은 지구상에서도 우주와 같은 분위기를 조성해서

똑같은 물질을 만들려고 시도하였다. 플러렌의 발견

은 전 세계 과학자들에게 큰 충격을 주었으며, 또한

우주에 존재하는 새로운 물질에 대한 호기심과 관심

이 플러렌 연구에 집중되었다.

영국 서섹스 대학 크로토 교수는 우주에서 오는

짧은 파장의 빛을 연구하고 있었으며 미국 라이스대

학의 컬 교수와 스몰리 교수는 적외선 분광학과 고

온 레이저에 관하여 연구하고 있었다. 이들은 우주

에서 생성된 것과 같은 탄소 동소체인 신 물질을 발

견하였으며 11년 후인 1996년 3인의 연구자들은 노

벨 화학상을 받았다.

플러렌이 발견된 1985년부터 노벨상을 받기까지

수많은 과학자들이 플러렌 연구에 집중하였다. 이들

3인의 노벨 수상자들은 자기 전공 분야에서 40년 이

상 연구를 수행한 노 교수들이다. 플러렌은 매우 안

정된 구조를 가진 물질로서 다른 물질과 쉽게 반응

하지 않는다. 그러나 화학 반응을 통해 만들어진 플

러렌의 유도체는 새로운 특성을 가진 물질로 변한

다. 고성능 소재 고분자 전기화학 탐지소자, 초전도

체 고강도 신소재, 고성능 배터리, 의료기기, 마이크

로 연료전지, 유기태양 전지 등 향후 우리 생활에 큰

변화를 가져올 것으로 기대된다.

우리나라는 다소 늦었으나 반도체 소자, 마이크

로 연료전지, 유기태양전지, 초전도체 등에 관한 연

구의 일부가 실용화 단계에 와있어 선진국을 추적

하는 것은 가까운 장래에 실현될 것으로 기대된다.

플러렌을 처음 발견한 1985년부터 노벨상을 수상한

1996년 11년 동안 국가별 플러렌에 관한 논문 발표

편수를 보면 미국 2,887편, 그 뒤를 이어 일본 1,908

편, 한국 78편으로 집계되었다(9). 일본은 새로운 기술

이 출현 시엔 과감한 연구 투자를 하고 있음을 엿볼

수 있다. 일본의 플러렌 관련 논문 발표는 영국, 독일

프랑스를 앞지르고 있다.

일본의 과학 분야의 노벨상 수상자는 18명이며,

매년 1-2명이 화학 물리 등 기초과학 분야에서 수상

자가 나오고 있다. 우리나라는 정부의 R&D 연간 예

산은 18조 8000억원(11) (2015년 정부 부문)의 막대한

연구비를 투입하고 있음에도 불구하고 아직도 노벨

수상자가 한 명도 나오지 않고 있다. 단기간에 가시

적인 성과만을 원하고 또한 R&D 연구 성과를 경제

적인 측면에서 평가 하는 연구 환경 속에서 창의적

이고 획기적인 연구결과를 도출 할 수 없다.

연구 개발은 반드시 성공해야 되겠으나 실패와 시

행착오를 거치면서 성공할 수 있는 가능성이 있다.

정권이 바뀌고 담당 공무원이 바뀔 때마다 연구 사업

제목이 바뀌는 일이 있어서도 안 된다. 이 같은 연구

분위기에서 세계적인 연구 업적을 이룰 수 없다.

우리도 가까운 장래에 노벨 수상자를 배출하

기 위해서 정부 출연 연구소는 자기 전공 분야에서

30-40년의 오랜 기간 동안 연구실을 지킨 세계적인

과학자를 길러내야 한다. 이를 위해서는 정부의 지



속적인 연구 지원과 연구원들이 보직에 연연하지 않

고 오직 연구에만 전념할 수 있는 연구 분위기가 조

성되어야 할 것이다.

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Documents

Fullerene의 발견과 장래 전망 - CHERIC · 2015-11-30 · NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 6, 2015 … 719 Fullerene의 발견과 장래 전망 서 플러렌을